起德花,張一平*,宋清海*,費學(xué)海,沙麗清,劉運通,周文君,周立國,鄧曉保,3,羅艷,3,鄧云,3
1.中國科學(xué)院熱帶森林生態(tài)學(xué)重點實驗室(中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園),云南勐臘 666303
2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴陽 550025
3.中國科學(xué)院西雙版納熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)研究站,云南勐臘 666303
碳水通量是指單位時間內(nèi)垂直通過單位面積所傳遞的碳、水物質(zhì)量。它是生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳水交換量,是量化生態(tài)系統(tǒng)功能及其對全球氣候變化的重要參數(shù)。碳水交換是物質(zhì)和能量循環(huán)的關(guān)鍵過程,是農(nóng)業(yè)、遙感、水文、生態(tài)、社會經(jīng)濟、氣象、地質(zhì)災(zāi)害等相關(guān)領(lǐng)域的前沿性研究。開展植被與大氣間碳、水通量的長期觀測對人們深入研究和理解全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)的相互關(guān)系[1],預(yù)測全球區(qū)域性氣候變化趨勢,評價生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化貢獻,發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)變化規(guī)律以及對天氣預(yù)報、水資源利用等相關(guān)研究工作具有重要意義。
熱帶季節(jié)雨林是我國重要的生態(tài)系統(tǒng)類型。西雙版納生態(tài)站為中國生態(tài)系統(tǒng)觀測網(wǎng)(CERN)和中國通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)(ChinaFLUX)的基礎(chǔ)觀測站點[2]。由于該地處于熱帶北緣,海拔偏高,年平均溫度和年降雨量相對較低,且降雨季節(jié)變化明顯。特殊的地理環(huán)境、氣候和植被結(jié)構(gòu),使其生態(tài)系統(tǒng)具有生物多樣性豐富、生產(chǎn)力高的特性,在區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、緩解氣候變暖和全球碳循環(huán)方面具有重要作用[3]。
在中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項目“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮通量特征及其環(huán)境控制作用研究”,國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(國家973 項目)“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水通量的相互關(guān)系及其環(huán)境影響機制”,中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等支持下。西雙版納生態(tài)站積累了17 年的碳水能量通量數(shù)據(jù),以期服務(wù)政府和科研機構(gòu),提高公眾使度,進而推動中國乃至全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水通量研究及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
通量塔位于西雙版納州勐臘縣勐侖鎮(zhèn)的國家級自然保護區(qū)(101°12′44″E,21°57′32″N,平均海拔為756 m)[4],四面有山丘,鐵塔底部與周圍山丘頂?shù)乃骄嚯x為400-686 m,相對高差為80-70 m。年平均氣溫為21.5℃,最冷月(1 月)平均溫度為16.0℃,最熱月(6 月)平均溫度為25.7℃,年Σt≥10℃(溫度大于等于10℃之和)和Σt≥18℃(溫度大于等于18℃之和)積溫分別為7959.2℃和6638.1℃。平均日照時數(shù)為1858.7 h。多年平均降水量為1556.8 mm[5],但各月份分配不均,87 %的降水集中在5-10 月,年平均相對濕度為85 %。林下土壤為磚紅壤,腐殖質(zhì)層厚1-3 cm,落葉層厚2-5 cm,土壤偏酸(PH<5)。年平均風(fēng)速僅為0.4 m/s,是著名的靜風(fēng)區(qū)[6]。
通量塔所處植被類型為熱帶季節(jié)雨林,優(yōu)勢種主要為絨毛番龍眼(Pometia tomentosa)、千果欖仁(Terminalia myriocarpa),其群落高35 m 左右,生物量大約500 t/ha,該雨林群落胸徑≥10 cm的立木密度為386 棵/ hm2,平均樹高18.6 m[7]。
通量塔于2002 年底正式投入使用,通量塔上安裝有開路渦度相關(guān)通量系統(tǒng)和多層微氣象觀測系統(tǒng)。設(shè)置的氣象梯度觀測系統(tǒng)包括:7 層3 杯風(fēng)速儀和溫濕度構(gòu)成風(fēng)速和溫濕度垂直梯度觀測系統(tǒng);6 層PAR(光合有效輻射)傳感器觀測PAR 垂直變化;在通量塔頂層設(shè)置了太陽輻射傳感器和雨量筒;在鐵塔41.6 m 處設(shè)置了太陽輻射傳感器以觀測太陽總輻射4 分量動態(tài);地表溫度、土壤熱通量、9 層土壤溫度梯度、3 層土壤體積含水量等相關(guān)數(shù)據(jù)觀測;此外,還在植被冠層安裝紅外溫度傳感器,以監(jiān)測植物冠層表面溫度變化。
觀測系統(tǒng)的渦度相關(guān)和氣象梯度觀測數(shù)據(jù)都是通過數(shù)據(jù)采集器Datalogger 進行自動采集并存儲,CO2、H2O 和能量通量系統(tǒng)頻率為10 Hz,常規(guī)氣象要素的數(shù)據(jù)采樣頻率為0.5 Hz。為了保證數(shù)據(jù)可比性和準(zhǔn)確性,提升研究結(jié)果可靠性,對所有儀器設(shè)備進行定期校對和維護。各觀測項目測定所用儀器及型號、儀器制造商,以及數(shù)據(jù)采集傳感器及其廠家等相關(guān)信息見表1,氣象數(shù)據(jù)觀測高度見表2。
數(shù)據(jù)處理基本基于ChinaFLUX 流程與標(biāo)準(zhǔn)[8-9],但基于站點(site-based)地形及氣候,故數(shù)據(jù)處理時我們做出改進/訂正:詳細(xì)方法見姚玉剛等和費學(xué)海等的文獻[10-11]。數(shù)據(jù)處理流程見圖1。
氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量保證/質(zhì)量控制:
(1)30 min 原始?xì)庀髷?shù)據(jù)時間校對:
檢查每年的數(shù)據(jù)是否全(平年數(shù)據(jù)是365×48=17520 行/年,加上表頭信息是17 524 行/年;潤年數(shù)據(jù)是366×48=17 568 行/年,加上表頭信息是17 572 行/年),對于時間信息沒全的時間數(shù)據(jù)進行檢查并插補。
(2)異常值剔除:對輸出30 min 的氣象數(shù)據(jù)值為1.#IND,1.#INF,NAN(1.#IND,1.#INF,NAN 均為數(shù)據(jù)缺失值)的數(shù)據(jù)進行剔除。
(3)閾值剔除:
對Tair(空氣溫度)、Tsoil(土壤溫度)大于40℃、小于0℃的數(shù)據(jù)進行剔除(根據(jù)西雙版納多年、多個站點數(shù)據(jù),溫度未出現(xiàn)過負(fù)值),對空氣濕度rh 小于0%的數(shù)據(jù)進行剔除;對于風(fēng)向數(shù)據(jù)大于360 度和小于0 度〔陸地上,風(fēng)向一般用16 個方位表示,在高空則用角度表示。用角度表示風(fēng)向,是把圓周分成360 度,北風(fēng)(N)是0 度(即360 度),東風(fēng)(E)是90 度,南風(fēng)(S)是180度,西風(fēng)(W)是270 度,因此風(fēng)向不會大于360 度,也不會小于0 度?!车臄?shù)據(jù)進行剔除;對于夜間太陽輻射Dr 大于10 W m-2,白天太陽輻射Dr 大于2000 W m-2的數(shù)據(jù)進行剔除;降水量明顯低于最近氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)進行剔除(雨量筒出現(xiàn)堵塞)。
(4)氣象數(shù)據(jù)插補:
申請西雙版納熱帶雨林54 km 的氣象數(shù)據(jù),用來插補已經(jīng)缺失或者剔除的氣象數(shù)據(jù),該氣象站距通量塔1 km,是離通量塔最近的另外一個氣象站。
碳水通量質(zhì)量保證/質(zhì)量控制:
(1)對已經(jīng)轉(zhuǎn)換出來的30 min 原始通量數(shù)據(jù)時間校對:
檢查每年的數(shù)據(jù)是否全(平年數(shù)據(jù)是365×48=17 520 行/年,加上表頭信息是17 524 行/年;潤年數(shù)據(jù)是366×48=17 568 行/年,加上表頭信息是17 572 行/年),對于時間信息沒全的時間進行數(shù)據(jù)檢查并插補。
(2)異常值剔除:
對輸出30 min 的通量數(shù)據(jù)值為1.#IND,1.#INF,NAN(1.#IND,1.#INF,NAN 均為數(shù)據(jù)缺失值)的數(shù)據(jù)進行剔除。
(3)閾值剔除:
對水汽濃度H2O>40 g/m3或者H2O<0 g/m3)的數(shù)據(jù)進行剔除;對CO2濃度>1000 mg/m3或者CO2<200 mg/m3的數(shù)據(jù)進行剔除;對n_Tot(樣本總數(shù))<15000 的數(shù)據(jù)進行剔除;對夜間摩擦風(fēng)速u*<0.1 m/s(由于地處山坳,且該地區(qū)常年風(fēng)速小,故沒有采用ChinaFLUX 規(guī)定的u*<0.2 m/s標(biāo)準(zhǔn))的數(shù)據(jù)進行剔除;對渦度碳通量數(shù)值Fc>2 mg m?2s?1或者Fc<?2 mg m?2s?1的數(shù)據(jù)進行剔除;對LE>1200 W/m2或LE<?300 W/m2的數(shù)據(jù)進行剔除;對有降雨發(fā)生的通量和CO2濃度數(shù)據(jù)進行了剔除;對HS>900 W/m2或HS<?300 W/m2的數(shù)據(jù)進行剔除。
供試作物均為制種玉米,甘州區(qū)試驗地品種為迪卡653,臨澤縣試驗地品種為臨奧1號。供試肥料為尿素(N46%),磷二銨(N18%,P2O546%),硫酸鉀(K2O50%)。
(4)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)(采用自然風(fēng)系統(tǒng)三次旋轉(zhuǎn)方法)、WPL(Webb,Pearman and Leuning’s calibration method)校正:
在Matalab 中輸入代碼進行坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、WPL 校正。
(5)重復(fù)數(shù)據(jù)篩選步驟,對通量數(shù)據(jù)進一步篩選(經(jīng)過坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、WPL 校正出來的數(shù)據(jù)偶偶會出現(xiàn)明顯超范圍數(shù)值)。
西雙版納熱帶季節(jié)雨林不僅霧日較多、風(fēng)速較低,而且還存在“碳湖”現(xiàn)象?!疤己痹?-9月出現(xiàn)頻率較高,在10-3 月出現(xiàn)頻率較低,存在明顯的季節(jié)變化特征,影響高度可達(dá)20 m[12]。由于存在“碳湖效應(yīng)”和“假碳源效應(yīng)”,采用常規(guī)通量數(shù)據(jù)處理方法無法獲得合理的西雙版納站通量觀測數(shù)據(jù)。因此,將天亮(太陽輻射值Dr>10 W/m2的第一個值)到11∶00 這個時段Fc>0 mg m?2s?1的數(shù)據(jù)進行剔除。
(6)NEE 的計算:
生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換量(NEE)是生態(tài)系統(tǒng)中植物光合作用吸收的CO2〔即生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(GPP)〕與生態(tài)系統(tǒng)生物及非生物呼吸釋放的CO2〔即生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Reco)〕間平衡的結(jié)果。對于森林生態(tài)系統(tǒng)來說,其由渦度相關(guān)系統(tǒng)測得的碳通量(Fc)與同一時間段內(nèi)存儲在地表到測量界面這段空間碳儲量(Fs)這兩部分組成,F(xiàn)c,F(xiàn)s和NEE 的計算如公式(1)[13]和公式(2)[14]所示:
其中,F(xiàn)c為生態(tài)系統(tǒng)與大氣間CO2通量,其由EC〔渦度相關(guān)(Eddy covariance technique)〕測得,在數(shù)據(jù)處理時Fc為經(jīng)過坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)(采用自然風(fēng)系統(tǒng)三次旋轉(zhuǎn)方法)、WPL 校正后的Fc值;Fs表示渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測高度與地面間CO2儲存量變化量,其根據(jù)單位時間內(nèi)單位體積CO2濃度變化計算所得,?c/?t表示單位時間內(nèi)CO2濃度變化速率,?t為相鄰時間間隔(取30 min),zr為觀測界面(渦度相關(guān)系統(tǒng)安裝)的高度。當(dāng)NEE和Fc為正值時,表示生態(tài)系統(tǒng)釋放CO2;為負(fù)值時表示生態(tài)系統(tǒng)吸收CO2,此時生態(tài)系統(tǒng)為碳匯功能。以太陽輻射(Dr)區(qū)分白天(Dr≥10 w m-2)和夜間(Dr <10 w m-2),視夜間的NEE(μmol m-2s-1)為生態(tài)系統(tǒng)夜間呼吸速率(Reco)。
通量數(shù)據(jù)插補:通量數(shù)據(jù)插補在渦流相關(guān)數(shù)據(jù)處理工具網(wǎng)(https://www.bgc-jena.mpg.de/REddyP roc/brew/REddyProc.rhtml)進行在線插補。
CO2通量數(shù)據(jù)拆分:由于渦度相關(guān)法只能直接測量出生態(tài)系統(tǒng)的NEE,因此需通過一定方法實現(xiàn)NEE的拆分,從而得到Reco和GPP值。本研究據(jù)Lloyd-Taylor 方程,即式(3)[15]來計算生態(tài)系統(tǒng)呼吸Reco:
由于在夜間(Dr<10 w m-2),夜間凈CO2交換量(NEEn)與夜間生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Rn-eco)間關(guān)系為NEEn=?Rn-eco,故用式(3)對夜間篩選后的有效CO2凈交換(NEEn)數(shù)據(jù)與土壤5 cm 溫度分時段進行擬合,從而對模型進行校準(zhǔn)和參數(shù)化,就可以求得生態(tài)系統(tǒng)白天的呼吸(Rd-eco)結(jié)果。故GPP 表達(dá)式為(4):
式(4)中,GPP、Reco和NEE單位都為μmol m-2s-1。
本數(shù)據(jù)集為版納熱帶季節(jié)雨林2003-2010 年連續(xù)8 年的碳水通量觀測數(shù)據(jù)。每年有8 個EXCEL數(shù)據(jù)文件,分為兩類數(shù)據(jù)文件,一類常規(guī)氣象數(shù)據(jù)文件,一類通量數(shù)據(jù)文件。每年每類數(shù)據(jù)文件各有4 個,即30 min、日、月和年尺度,總共64 個文件,總數(shù)據(jù)量36 MB。
以2003 年數(shù)據(jù)文件為例,表2 為2003 年西雙版納熱帶季節(jié)雨林通量塔30 min 氣象數(shù)據(jù)表頭說明,表3 為2003 年版納熱帶季節(jié)雨林通量塔不同時間尺度通量數(shù)據(jù)表頭說明。所有數(shù)據(jù)均是以數(shù)字形式呈現(xiàn)。氣象觀測系統(tǒng)包括7 層三杯風(fēng)速儀(A100R,VECTOR,UK),近地面觀測高度為4.2 m。7 層溫濕探頭(HMP45C,VAISALA,Netherlands)。氣壓觀測設(shè)置在距地表4.2 m 高度(CS105,VAISALA,Netherlands),頂層設(shè)置有雨量筒(52203,RM YOUNG,USA)。上述儀器均與CR10X型數(shù)據(jù)采集器(CR10X,Campbell,USA)相連,每30 min 輸出一組平均值。
表2 氣象數(shù)據(jù)表說明及指標(biāo)觀測高度
表3 通量數(shù)據(jù)表說明
半小時尺度上,不同年份之間生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換量(NEE)、潛熱通量(LE)和顯熱通量(H)有效觀測數(shù)據(jù)比例分別為48.0%-83.0%、57.4%-91.1%、58.1 %-92.2%。其中,除2008 年潛熱通量和顯熱通量有效數(shù)據(jù)在57.4%和58.1%外,其余年份潛熱通量和顯熱通量有效數(shù)據(jù)量均達(dá)到70%以上,且均高于生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換量質(zhì)控后有效通量數(shù)據(jù)比例(圖2)。
圖2 半小時尺度上不同年份質(zhì)控的有效通量數(shù)據(jù)比例(%)
本數(shù)據(jù)已在國家科技資源共享服務(wù)平臺(http://www.cnern.org.cn)發(fā)布,用戶登錄系統(tǒng)后,點擊數(shù)據(jù)資源欄目,在碳氮水通量觀測數(shù)據(jù)集中搜索“版納站”,點擊查詢,即可進入相關(guān)數(shù)據(jù)下載界面。用戶也可登錄Science Data Bank(http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00177)訪問和下載數(shù)據(jù)集。
本數(shù)據(jù)集可應(yīng)用于模型的開發(fā)、驗證。為了便于不同站點數(shù)據(jù)的比較,本數(shù)據(jù)集采用ChinaFLUX制定的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系進行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制。但是由于不同插值方法計算結(jié)果存在差異,即使年通量差異相對較小,也可能導(dǎo)致季節(jié)動態(tài)較大的不同,因此在機理解析中應(yīng)尤其慎重。
西雙版納熱帶季節(jié)雨林碳水通量在能量平衡及全球小氣候特征中至關(guān)重要。后續(xù)需要進一步加強以下幾個方面的研究:
(1)由于該地處于熱帶北緣,海拔偏高,年平均溫度和年降雨量相對較低,風(fēng)速較小,霧日較多,而且還存在“碳湖”現(xiàn)象。有特殊的地理環(huán)境、氣候和植被結(jié)構(gòu),在觀測系統(tǒng)運行以及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制時要考慮多種因素。
(2)隨著碳水通量觀測儀器的推陳出新以及碳水通量數(shù)據(jù)處理方法的不斷改進、完善和創(chuàng)新,碳水通量質(zhì)控后有效數(shù)據(jù)比例將越來越高。
(3)在得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的同時,應(yīng)深入開展CO2濃度,氮沉降、氣溶膠等其他環(huán)境因子對森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯影響方面的研究,并探討其背后機制。
(4)以后研究可運用長期連續(xù)觀測的通量和氣象數(shù)據(jù)(20 年以上),并結(jié)合模型來探討碳交換年間變異機制及其對氣候變化響應(yīng)。年際變異的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)與氣候要素貢獻、生物氣候要素在年際變異中的貢獻。
(5)本研究采用渦度相關(guān)法,得到的是點上碳交換研究結(jié)果。以后研究可整合單點碳交換數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和地表過程模型(Land surface model,如EALCO),實現(xiàn)從點到區(qū)域地研究生態(tài)系統(tǒng)碳交換及其對氣候變化的響應(yīng),從而把點上研究結(jié)果擴展到區(qū)域乃至全球尺度。
致 謝
西雙版納熱帶季節(jié)雨林碳水能量通量觀測數(shù)據(jù)積累離不開中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園和西雙版納生態(tài)站的大力支持,西雙版納生態(tài)站承擔(dān)了通量和氣象觀測設(shè)備的野外維護和原始數(shù)據(jù)采集工作,為本數(shù)據(jù)集的生產(chǎn)做出了不可缺少的貢獻。同時也感謝國家973 項目(2002CB412501、2010CB833501),國家自然科學(xué)基金(41671209、40571163、31061140359、31770528、41961144017、U1602234、U1202234、41271056、31290221、41071071、41975147、42075119)、國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0502105)、國家基金青年科學(xué)基金項目(40801035),中國科學(xué)院項目(KZCX1-SW-01-01A、KZCX2-YW-432-1、KZCX2-YW-Q1-05-04、XDA05050601),中國科學(xué)院“一三五”專項(方向一:2017XTBG-F01、突破一:2017XTBG-T01),云南省中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人才項目(202005AC160003),云南省萬人計劃青年拔尖人才項目(宋清海),中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA19020302)等項目的資助,因有這些項目源源不斷的支持,西雙版納熱帶季節(jié)雨林通量塔各個儀器探頭才得以正常運行,并能持續(xù)積累17 年標(biāo)準(zhǔn)化西雙版納熱帶季節(jié)雨林碳水能量通量觀測數(shù)據(jù)集,特此致謝!
數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)
起德花(1993—),女,云南省永仁縣人,碩士,研究助理,研究方向為全球變化。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)采集和處理。
張一平(1957—),男,云南省昆明市人,博士,研究員,研究方向為區(qū)域氣候變化。主要承擔(dān)工作:通量的總體運行與科學(xué)發(fā)展。
宋清海(1979—),男,云南省昆明市人,博士,副研究員,研究方向為生態(tài)系統(tǒng)碳水分配模式。主要承擔(dān)工作:碳水通量數(shù)據(jù)最終質(zhì)量控制。
費學(xué)海(1984—),男,貴州省貴陽市人,博士,講師,研究方向為氣候變化與生態(tài)響應(yīng)。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制。
沙麗清(1963—),男,云南省昆明市人,博士,研究員,研究方向為生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過程與全球變化。主要承擔(dān)工作:碳水通量數(shù)據(jù)綜合處理方法和技術(shù)途徑。
劉運通(1979—),男,云南省昆明市人,博士,副研究員,研究方向為生態(tài)系統(tǒng)碳通量時空格局。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。
周文君(1977—),女,云南省昆明市人,博士,副研究員,研究方向為數(shù)據(jù)挖掘與運用。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)集格式規(guī)范化、數(shù)據(jù)管理和服務(wù)。
鄧曉保(1959—),男,云南省昆明市人,博士,高級工程師,研究方向為生態(tài)系統(tǒng)通量觀測與數(shù)據(jù)分析。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制。
羅艷(1989—),女,云南省西雙版納市人,碩士,助理工程師,研究方向為數(shù)據(jù)庫運行。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)集格式規(guī)范化、數(shù)據(jù)管理和服務(wù)。
鄧云(1983—),男,云南省昆明市人,碩士,助理研究員,研究方向為生態(tài)信息學(xué)。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制。
此外,周立國、楊東海、依濤香、于輝、PG.Moorthy 等人主要承擔(dān)數(shù)據(jù)觀測、整理、初級質(zhì)控及上報。